Фамилия Томелев — довольно редкая, и её происхождение не лежит на поверхности, что сразу делает её интересной для разбора. В отличие от распространённых фамилий на -ов от крестильных имён (Иванов, Петров), здесь мы имеем дело с неочевидной основой.

Скорее всего, в основе фамилии лежит неканоническое имя или прозвище Томель. Это могла быть уменьшительная форма от имени Том (редкий вариант крестильного имени Фома, которое в народе звучало как Хома, Тома) или от Томило (производное от томить — «мучить, изнурять»). В старину прозвище Томило давали беспокойному, непоседливому или просто уставшему человеку. Если принять версию с корнем «том-», то суффикс -ель характерен для древнерусских имён (например, Кобель, Жидель, Гостель), он же мог превратиться в фамильную основу.

Суффикс -ев указывает на притяжательное значение: «чей?» — Томелев, то есть сын или потомок Томеля. Такой способ образования типичен для русских фамилий, но сочетание редкой основы и окончания -ев (а не более частого -ов после твёрдого согласного) подсказывает, что исходное слово оканчивалось на мягкий согласный — как раз Томель.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России. Встречается в Вологодской и Архангельской губерниях, а также в Поволжье, где бытовали прозвища от слова «томить» и его производных. В писцовых книгах XVI–XVII веков можно найти упоминания крестьян и посадских людей с именем Томило, но форма Томель фиксируется реже, что делает фамилию Томелев более локальной и древней по своему типу.

Версия о связи с греческим именем Фома (через форму Тома) менее вероятна: в русской традиции фамилии от Фомы обычно принимали форму Фомин или Фомичев. Томелев — случай, когда прозвище, а не церковное имя, стало основой, и предок носителя, скорее всего, получил своё прозвище за характер или род занятий, а не по святцам.